在c中执行不带任何选项的命令“cat”

Question

如果没有给出任何参数或重定向使用，cat 命令将从标准输入中读取。但是当我用它执行它时，execve()它的行为并不像在 bash 中那样。

代码：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int ac, char **av, char **env)
{
    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};
    int ps = fork();
    if (!ps)
        execve("/bin/cat",args, env);
}

输出 ：

cat: stdin: Input/output error

我尝试不带参数运行它，但它返回一个错误。

Answer 1

假设：您正在从终端中运行的 shell 运行该程序。（否则你不会看到这种行为。）

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注意：如果您尝试重现此情况，由于父级和子级之间的竞争条件，您可能会看到不同的效果。问题中的行为是最有可能的行为，您可以使用child_sleeps下面的变体强制它，但是如果子级在父级退出 \xe2\x80\x94 之前获得大量 CPU 时间，您可能会观察到不同的行为下面用parent_sleeps变体来解释。

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cat不带参数尝试从其标准输入（即文件描述符 0）读取。由于没有任何东西重定向标准输入，它仍然是终端。尝试从终端读取数据时可能会出现什么问题？让我们查阅一些相关文档read，例如OpenBSD 手册页¹或Linux 手册页或POSIX 规范。引用 POSIX（其他人或多或少复制了其措辞）：

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该进程是尝试从其控制终端读取数据的后台进程组的成员，并且调用线程正在阻止 SIGTTIN，或者该进程正在忽略 SIGTTIN，或者该进程的进程组是孤立的。

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要理解这一点，您需要了解进程组的基础知识以及它们如何与终端交互。

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进程组的基本思想是，它由一个进程、它的子进程、它的孙子进程等组成，除了已经移动到自己的进程组中的子(sub\xe2\x80\xa6)进程之外。当您从 shell 运行命令时，shell 会将其放入自己的进程组中。因此，存在一个进程组，其中包含程序的原始进程和通过调用创建的子进程fork，而没有其他进程。

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现在是关于终端的部分。基本思想是一次只能有一个程序访问终端。否则哪个程序会接收输入？有些程序使用子进程，因此终端的所有权属于进程组，而不仅仅是进程。拥有终端的进程组称为前台进程组，其他进程组称为后台进程组。shell命令fg使进程组成为前台进程组。

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当进程尝试从终端读取数据时，内核会检查它是否 \xe2\x80\x9cowns\xe2\x80\x9d 终端。更准确地说，该进程应该位于前台进程组中。不相关的进程也可以从终端读取（只要它有权打开它，那就是公平的游戏，即使这是一件不寻常的事情）。但是属于后台进程组的进程不允许从终端读取。通常情况下，内核会向进程发送SIGTTIN信号，默认效果是挂起进程^2,3。但是，如果进程忽略或阻止 SIGTTIN，则需要采取进一步的步骤来阻止进程读取：系统read调用错误EIO。这是为了避免不相关的后台程序意外 \xe2\x80\x9csteal\xe2\x80\x9d 一些来自前台程序的输入。

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现在我们可以将其与 发生的情况联系起来cat。当时间cat运行时，其父级已经退出。（原则上，如果启动足够快，父进程可能还没有退出cat，但这不太可能。我将在下面与变体讨论这一点parent_sleeps。）因此，子cat进程在其进程组中是单独的。当父进程退出时，shell收回终端的所有权，因此该进程组cat是后台进程组，内核会尝试阻止其从终端读取。

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但我们还没有完全做到这一点：cat不尝试处理 SIGTTIN，那么为什么内核不发送这个信号呢？这是另一种情况EIO：孤立进程组。一旦父进程退出（并且 shell 通知），cat\ 的父进程就不再退出。但进程必须有父进程，因此 init 进程 (PID 1) \xe2\x80\x9cadopts\xe2\x80\x9d 孤儿进程：如果进程的原始父进程消失，则该进程的父进程设置为 1 . 由于cat在其进程组中是单独的，且父进程为 1，不属于同一会话，因此该进程组是孤儿进程组，内核read返回EIO。

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fg顺便说一句，对孤立进程组进行不同处理的原因是，在正常情况下，如果用户在 shell 中运行命令，后台进程组可能会返回前台。因此，如果后台程序尝试从终端读取数据，它将被挂起，直到有希望重新获得对终端的访问权限。但是，如果进程组是孤立的，则用户不再可以将 shell 作业放入前台，因此没有 \xe2\x80\x9cnormal\xe2\x80\x9d 方式让进程返回到说明允许从终端读取数据的位置。因此，暂停它是没有意义的：读取现在是、将来仍然是一个错误。

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要允许cat在后台运行，请保持其父进程运行。您可以运行以下变体parent_waits，其中父进程等待进程退出。

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/* parent_waits.c */\n#include <unistd.h>\n#include <fcntl.h>\n\nint main(int ac, char **av, char **env)\n{\n    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};\n    int ps = fork();\n    if (ps) {\n        int status;\n        wait(&status);\n    } else {\n        execve("/bin/cat",args, env);\n    }\n}\n

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我上面提到了存在竞争条件。如果您无法可靠地重现问题中的行为，请使用child_sleeps下面的变体，其中孩子睡眠足够长的时间，以便父母完成退出。

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/* child_sleeps.c */\n#include <unistd.h>\n#include <fcntl.h>\n\nint main(int ac, char **av, char **env)\n{\n    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};\n    int ps = fork();\n    if (!ps) {\n        usleep(100000);\n        execve("/bin/cat",args, env);\n    }\n}\n

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如果父级退出速度很慢，则有可能cat在父级退出之前能够读取。您可以通过在启动之前添加延迟来强制执行此行为cat，使用以下parent_sleeps变体：

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/* parent_sleeps.c */\n#include <unistd.h>\n#include <fcntl.h>\n\nint main(int ac, char **av, char **env)\n{\n    char *args[] = {"/bin/cat",NULL};\n    int ps = fork();\n    if (ps) {\n        sleep(1);\n    } else {\n        execve("/bin/cat",args, env);\n    }\n}\n

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使用此变体，直到sleep结束（上面代码中的 1 秒，根据需要调整），都cat可以正常工作。然后父进程退出，您会收到 shell 提示符。之后，当cat尝试再次读取时，它会收到EIO.

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$ ./parent_sleeps\none\none\n$ two\ntwo\n/bin/cat: -: Input/output error\n

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最后一点：您可能会想通过查看调试器或跟踪系统调用来观察正在发生的情况。但您需要小心，不要改变进程组的情况。例如，在Linux下，如果您尝试使用strace, the strace正常跟踪程序，进程也在进程组中并保持在前台。

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strace -o strace_in_foreground.strace -f ./a.out\n

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要观察导致 EIO 情况的系统调用，请strace告诉分离跟踪的程序。

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strace -o program_in_background.strace -D -f ./a.out\n

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¹ _{令人失望的是，FreeBSD 手册省略了相关案例。}

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² _{如果这种情况发生在 shell 中作为作业的进程组中，则 shell 会打印类似 \xe2\x80\x9csuspended (tty input)\xe2\x80\x9d (zsh) 或 \xe2\x80\x9cStopped (SIGTTIN) 的消息)\xe2\x80\x9d (ksh) 或 \xe2\x80\x9cStopped\xe2\x80\x9d (bash))。}

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³ _{尝试写入和 SIGTTOU 信号时也会发生同样的情况。然而，对于输出，该进程可以忽略 SIGTTOU 并且写入将完成。}

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